自导作用距离对轻型鱼雷攻潜效能的影响

陈 菁, 何心怡, 雷 蕾, 高 贺



自导作用距离对轻型鱼雷攻潜效能的影响

陈 菁, 何心怡, 雷 蕾, 高 贺

(海军装备研究院, 北京, 100161)

针对传统的轻型鱼雷攻潜效能评估中把自导作用距离指标值作为自导作用距离的恒定输入参数, 从而影响作战效能评估结果准确性的问题, 分析了自导作用距离随照射角变化的规律, 采用多亮点模型和基于网格搜索法的鱼雷自导作用距离预报模型, 通过仿真试验对比分析了同一态势下, 以自导作用距离指标值和在实际战场环境下的自导作用距离预估值作为自导作用距离的输入参数的2种不同情况下的目标发现概率。仿真结果表明, 为了更真实地反映实际战况, 建议根据敌我态势和水文条件, 将真实自导作用距离作为轻型鱼雷效能评估的输入参数。

轻型鱼雷; 自导作用距离; 作战效能; 输入参数; 目标发现概率

0 引言

鱼雷作战效能评估是鱼雷武器装备论证的重要基础, 是鱼雷作战使用研究的重要支持, 是反潜武器辅助决策的重要依据。轻型鱼雷实际作战有一定的复杂性、不确定性和非线性等特性[1], 自导作用距离是轻型鱼雷作战效能评估模型的输入之一[2-3]。国内对鱼雷作战效能研究的热度持续不减: 杨惠珍[4]探讨了可组合的鱼雷作战效能评估仿真系统的体系结构和开发流程; 卜广志[5]提出了使用分布式交互仿真技术实现鱼雷作战效能仿真的思路; 杨绪升[6]定量分析了射击诸元误差对声自导鱼雷作战效能的影响。虽然国内对鱼雷作战效能评估的研究范围广, 但从未涉及自导作用距离这一重要输入参数。目前, 鱼雷攻潜效能评估模型一般将自导作用距离指标值作为自导作用距离的恒定输入, 而实际潜艇目标为体目标, 不同部位的反射能力存在较大差异, 若忽略攻击潜艇不同方位时自导作用距离变化带来的影响, 将导致鱼雷作战效能评估结果与实际作战效果不符。

有鉴于此, 针对自导作用距离对轻型鱼雷攻潜效能评估的影响, 在当前鱼雷作战效能评估模型的基础上引入多亮点目标回波模型和自导作用距离预报模型, 深入研究了轻型鱼雷攻击实际潜艇目标时, 不同攻击方位对鱼雷自导作用距离的影响, 使其更有效、真实地反映实际战况。

1　传统鱼雷作战效能评估模型基本情况

传统鱼雷作战效能通常采用作战模拟法来计算, 蒙特卡洛法是作战模拟法的一种, 能够较真实地模拟实战条件下对抗条件和交战对象及武器的协同, 并且快速、低成本地获取装备效能评估数据[2-3]。如表1所示, 传统鱼雷作战效能模型将鱼雷航速、航向、自导作用距离、自导搜索扇面、鱼雷航程和目标航速、航向、方位、初始雷目距离等作为输入参数, 其仿真结果输出为鱼雷的发现概率或命中概率[4-5]。

表1　输入输出参数表

传统轻型鱼雷作战效能评估利用蒙特卡洛法在某一种态势下进行多次迭代, 模拟鱼雷和目标的运动轨迹、判断目标是否落入鱼雷自导搜索扇面, 并通过古典概率模型计算目标发现概率[6]

式中:为发现目标的次数;为模拟次数。

目前的轻型鱼雷作战效能评估模型都把鱼雷自导作用距离指标值作为输入参数, 而实际作战使用中, 鱼雷打击的是具有一定尺度特征的体目标, 打击目标潜艇不同部位时, 鱼雷自导作用距离真实值不同于指标值, 这对鱼雷作战效能评估模型的影响不容小觑。基于此, 引入多亮点目标回波模型和自导作用距离预报模型, 对轻型鱼雷攻潜效能评估模型做出一定的改进。

2　轻型鱼雷攻潜作战效能评估

由于目标各部位的声学反射特性存在差异, 当鱼雷从不同方位攻击目标潜艇时目标强度不同, 自导作用距离也随相遇角的变化而变化。传统鱼雷作战效能评估模型把自导作用距离指标值视作恒定输入参数, 未能真实有效地反映实际打击效果。受限于潜艇目标强度的真实数据值涉密程度较高, 无法获取, 故引入多亮点目标回波模型对潜艇目标强度进行仿真, 并采用自导作用距离预报模型分析鱼雷攻击体目标的作战效能中自导作用距离变化的影响, 提出对轻型鱼雷攻潜效能评估模型的改进方案。

2.1　多亮点目标回波模型

多亮点模型把目标回波视为多个亮点子回波的相干迭加之和, 是对体目标的合理简化, 真实描述其声学反射特性。对比单亮点模型而言, 多亮点模型真实反映了目标体积散布和各部位间隐蔽的特性, 更加逼真, 充分表征了体目标的回波脉冲宽度延伸与幅度效应, 与实际测量情况相符。

基于多亮点模型的潜艇回波时域表达式为[7]

基于多亮点模型的潜艇目标强度表达式为[7]

2.2　目标强度、自导作用距离与作战效能模型的关系

被动声自导系统通过检测潜艇辐射噪声来搜索、发现目标; 主动声自导系统向外发射声脉冲信号, 通过接收目标回波来发现目标。随着潜艇隐身性的提高, 目前大多数反潜武器均采用主动声自导方式作为反潜主要手段。

混响背景下的主动声自导方程为

噪声背景下的主动声自导方程为

(5)

通常主动声自导鱼雷的主要干扰场为混响。声自导鱼雷在相同海洋水文条件下的和由其自身性能决定, 可视为恒定不变。

(6)

目标强度是具有方向性的参数, 通常目标强度与方位、深度、频率、距离和脉冲持续时间有关[8]。由于目标各部位的声学反射特性存在差异, 目标强度在潜艇的正横方向较强、首尾方向较弱, 当鱼雷从不同方位攻击目标潜艇时,是不同的, 即随的变化而变化; 而变化会引起变化, 所以自导作用距离与相遇角有关, 即随的变化而变化[9]。

自导作用距离作为轻型鱼雷作战效能评估的重要输入参数, 其准确性直接影响作战效能评估模型的输出结果。利用自导作用距离随相遇角变化这一特点, 把自导作用距离作为变量输入, 进一步优化轻型鱼雷作战效能评估模型。

为了更逼真地反映出自导作用距离对作战效能的影响, 对轻型鱼雷作战效能模型进行如下改进: 首先, 由多亮点模型通过仿真确定目标强度分布, 再通过自导作用距离预报模型, 根据目标强度分布建立鱼雷自导作用距离与照射角的对应关系; 然后合理选取步长, 将同一态势下不同照射角的鱼雷自导作用距离作为动态输入作战效能评估模型, 此时自导作用距离不再是常量, 而是随角度变化的变量; 最后, 根据不同的实际情况, 选取当前态势下对应的鱼雷自导作用距离作为输入, 进行作战效能评估。从输入参数的科学性角度对传统作战效能评估模型进行了优化, 使作战效能评估结果更加有效, 能够更大程度反映实际情况。

3　仿真试验

3.1　仿真模型

首先, 根据多亮点模型[10](如图2所示)将目标由6个刚性球体组成的多亮点模型表示, 包括艇首、前艇体、舰桥、艇舯、后艇体和舰艉。取表示舰桥的球体半径为8 m, 其他球体均取半径为7 m。以表示艇艉的球体球心为参考点, 球体球心到参考点的距离为球体间距, 各个球体间距和反射系数见表2[10]。

表2　球体间距和反射系数

利用多亮点模型对潜艇目标强度进行仿真, 目标强度随潜艇照射角的变化如图3所示。图3中极坐标系中极点为潜艇声学中心, 极轴0°为艇艏方向、180°为艇艉方向, 极角为照射角, 目标强度呈蝶形分布。结合采用网格搜索法的自导作用距离预报模型[11], 可以预估不同态势下的目标强度和自导作用距离(见表3)。

其次, 分别建立鱼雷、目标、火控和声呐模型, 各仿真参数如表4所示。其中, 鱼雷航速误差为最大误差, 目标侧向、测距误差为2阶原点矩, 目标航向、航速解算误差为均方差。目标以航速4或8等速直航。

表3　不同照射角时目标强度和自导作用距离

表4　仿真参数

由于目标强度在潜艇中轴线左右两侧具有对称性, 仿真试验只需考虑单侧目标特性即可。对每个攻击态势进行1000次作战仿真。

3.2　仿真结果与分析

假设目标航速8 kn, 目标距离5 500 m, 选取步长45°, 分别对照射角为0°, 45°, 90°, 135°, 180°时, 自导作用距离作为定量和变量输入2种情况的目标潜艇进行作战效能评估。自导作用距离作为定量输入(自导作用距离指标为: 在良好水文条件下, 目标强度为12 dB时, 自导作用距离为900 m), 照射角为0°, 45°, 90°, 135°, 180°时目标的发现概率如表5所示。自导作用距离作为变量输入时, 照射角为0°, 45°, 90°, 135°, 180°的目标强度分别为5 dB, 14 dB, 25 dB, 13 dB, 4 dB, 自导作用距离分别为560 m, 1200 m, 2500 m, 1000 m, 500 m, 其作战效能评估结果见表5。

表5　2种情况下不同照射角的发现概率

图4是2种情况下的目标发现概率对比图。当自导作用距离作为定量输入时, 不论照射角(即鱼雷的攻击方位)如何变化, 目标的发现概率都在87%左右; 而当自导作用距离作为变量输入时, 目标的发现概率受自导作用距离的影响变化较大。例如, 鱼雷从正横方向攻击目标潜艇时, 目标强度最强, 此时自导作用距离为2500, 目标的发现概率为99.9%; 当鱼雷尾追攻击目标时, 目标强度最弱, 自导作用距离只有500, 发现概率仅为54.9%, 几乎是正横方向攻击时最大发现概率的一半。由此可知, 鱼雷自导作用距离作为轻型鱼雷作战效能评估的重要输入参数, 会对评估结果产生重大影响。

表6　目标航速4 kn时2种情况下不同照射角发现概率

表7　目标距离4 500 m时2种情况下不同照射角发现概率

表8　目标距离6500 m时2种情况下不同照射角发现概率

由表5~表8可知, 不同态势下的鱼雷作战效能评估结果均受自导作用距离变化的影响, 可见自导作用距离若作为恒定值输入, 鱼雷作战效能评估结果的真实性较低。

综上所述, 在进行鱼雷作战效能评估时考虑不同态势下自导作用距离变化对发现概率的影响是很有必要的。在今后的鱼雷作战效能评估模型中, 为加强参数的合理化和科学化输入, 应将真实的鱼雷自导作用距离作为轻型鱼雷作战效能评估的参数输入, 使其为鱼雷武器装备论证、鱼雷作战使用研究和反潜武器辅助决策提供更有力的支持。

4　结束语

文中针对轻型鱼雷作战效能评估存在的输入参数科学性较低的问题, 深入分析了传统轻型鱼雷攻击实际目标作战效能评估模型把自导作用距离这一随态势变化的参数作为定量输入的不足, 利用多亮点模型和鱼雷自导作用距离预报模型对自导作用距离真实值进行预估, 通过仿真试验对比分析了同一态势下, 鱼雷自导作用距离作为定量和变量输入2种情况下目标的发现概率, 提出了对轻型鱼雷作战效能评估模型输入参数的改进建议, 为今后轻型鱼雷作战效能评估的优化和完善提供思路, 为实战条件下鱼雷作战能力的提高打下良好基础。

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(责任编辑: 陈 曦)

Effect of Homing Range on Lightweight Torpedoʹs Anti-submarine Operation Efficiency

CHEN JingHE Xin-yiLEI LeiGAO He

(Naval Academy of Armament, Beijing 100161, China)

In conventional evaluation of lightweight torpedo′s anti-submarine operation efficiency, the homing range is taken as the constant input parameter, which influences the evaluation accuracy. Therefore, this paper analyzes the relation between homing range and irradiation angle. Adopting the multi-highlight model and the torpedo homing range prediction model based on the grid search method, this paper contrastively analyses the target detection probability via simulation experiment for two different situations: 1) taking the homing range as input parameter, and 2) taking the estimated value of homing range in actual battlefield environment as input parameter. The results suggest that in order to more really reflect battlefield situation, the real homing range be taken as the input parameter for evaluation of the torpedoʹs anti-submarine operation efficiency according to situations of ourselves and the enemy and hydrological condition.

lightweight torpedo; homing range; operation efficiency; input parameter; target detection probability

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.06.013

TJ630.3; E925.23

A

1673-1948(2016)06-0469-06

2016-09-26;

2016-10-31.

陈 菁(1992-), 女, 在读硕士, 主要研究方向为武器系统与运用工程.